JPS61134925A - 光学的情報の記憶および再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光ディスクにおけるように光学的に情報を記憶
および再生する方法に係り、特に一旦記録した情報を消
去して新たに記録することができる光学的情報の記憶お
よび記憶媒体に関する。

従来の技術 光学的な情報の記憶は記憶の速度および密度が高いので
今後有望な情報記憶方法として注目を集めている。従来
、光学的な情報の記憶媒体としては、第１に、金属薄膜
にレーザビームを照射して、照射部位に微細な穴を設け
ることによって情報を記録するものがある。しかし、こ
の媒体は情報を記録することはできるが消去して記録を
行なうことは不可能であるという制約がある。そこで、
第２に、光学的に情報を記録するだけでなく消去および
再記録を行なうことが可能な記憶方法として、Ｔｅ１ｌ
ｔ　Ｇｅｍ５　Ｓｚ　Ｐｉのような非晶質半導体薄膜を
用いて、その２つの構造状態、すなわち、安定な高抵抗
状態（これは原子または分子間配列の乱れた状態でいわ
ゆる非晶質状態である）と安定な低抵抗状態（これは原
子または分子の規２則正しい配列状態でいわゆる結晶状
態である）との間を可逆的に変化させて情報を記録、消
去、再記録する方法が知られている（特公昭４７−２６
８９７号公報参照）。

発明が解決しようとする問題点 しかし、上記の消去可能な記憶方法は、一方に原子配列
の乱れた状態（非晶質状態）を使っているため本質的に
情報保持における不安定さがつきまとっていた。なぜな
らば、非晶質状態は結晶状態へ至る準安定な状態であり
、熱エネルギーあるいは化学エネルギーの印加により容
易に結晶状態へ遷移するため、情報が失われ易いからで
ある。

また、非晶質と結晶質という大きな相違のある状態間を
遷移させるという使い方をするため、（り返して記録お
よび消去している間に材料の疲労が起こり、そのために
記録および消去の可能なくり返し回数が少ないという欠
点がある。

問題点を解決するための手段 本発明の目的は、光パルスを照射することにより情報を
記録し、しかも必要な時にはすでに記録した情報を消去
でき、さらに情報を安定に保持できる新しい光情報記憶
方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、規則正しい原子
配列をもった微結晶の集合体からなる薄膜であるが光学
的特性に差異のある２つ以上の安定状態が存在する薄膜
に対して、パワーおよび時間幅の異なる２種類の光パル
スを照射することによって、その２つの安定状態のどち
らかの状態を取らせて情報を記憶するようにしたもので
ある。

すなわち、本発明の方法では、記憶薄膜において゛情報
の記録を行なうための光学的特性の異なる２つの安定状
態は両方共に結晶質である。共に結晶質であるが光学的
特性が異なる２つの安定な状態の間の遷移を利用するも
のである。ここで、非晶質と区別する意味で結晶質と称
する場合薄膜が規則正しい原子配列をもつ領域の寸法（
微結晶の粒径）が少なくとも約５ｎｍ以上、通常２０〜
３０ｎｍ以上のものをさしている。

本１発明における微結晶質記憶薄膜の２つの安定な状態
は適当な条件の光パルスを照射することにより可□逆的
に遷移することが可能であるため、一旦記録したもので
あっても消去することができ、何回でもくり返して利用
できる。

この微結晶質薄膜の２つの安定状態は、一般に、電気伝
導度が高いけれどもその電気伝導度の間に本質的な差異
は存在しない（これに対して、非晶質では結晶質に較べ
て電気伝導度が本質的に低い）。

しかし、この微結晶質薄膜の２つの結晶質の安定状態は
光学的特性、すなわち、光反射率、光透過率等に若干の
違いが生じるため、情報の記録状態、消去状態をそれぞ
れの反射率の違いとして識別することができる。また、
その２つの安定状態は、わずかな体積変化や膜形状の変
形を伴っているため、等価的に光学的な違いを増加させ
る効果をもつ。

この記憶方法は、非晶質と結晶との間の変化を利用する
ものではない。非晶質相は、準安定相であるため、長期
間のうちには熱作用により次第に結晶相へ遷移するので
、この２つの相の違いを情報記憶に利用する場合は情報
が失われやすい。それに対して、本発明では、結晶相と
いう熱力学的に安定な相における２つの状態間を遷移さ
せるため、長期間情報を安定に保持することができる。

結晶組織が異なりかつ光学的特性が異なる２以上の安定
状態を呈しうる微結晶質薄膜材料としては、例えば、イ
ンジウム２０〜６０原子％とアンチモン４０〜８０原子
％からなる化合物（合金）、あるいはインジウム２０〜
６０原子％とアンチモン４０〜８０原子％の化合物（合
金）にアルミニウム、シリコン、リン、イオウ、亜鉛、
ガリウム。

ゲルマニウム、ヒ素、セレン、根、カドミウム。

錫、テルル、タリウム、鉛、ビスマス、等の１種または
それ以上を全体に対して２０原子％以下添加してなる化
合物（合金）がある。

このような薄膜材料をガラス、プラスチック。

金属等の基板上に成膜するには原料成分の共蒸着、コス
パッタリング、コイオンブレーティングによって基板上
で合金化するほか、合金化した原料を蒸着やスペッタリ
ングしてもよい。

本発明の記憶方法に使う光学系の例を第１図太に示す。

これは従来穴あけ型の追記型光ディスクで使われている
ものと全く同じである。

レーザダイオード１から出射して光（波長通常７８０〜
８３０ｎｍ）　２をビーム整形光学系３、偏位ビームス
プリッタ−４，１／４波長板５を通し、対物レンズ６で
集束して記憶薄膜７上に照射する。図中、８は基板、９
はレンズアクチュエータである。

反射光は偏光ビームスプリッタ−４により横方向にまげ
られレンズ１０を通して光検知器１１に当たる。光検知
器１１は４分割されておりその対角成分の信号の差が照
射ビームのフォーカスずれの程度を表わす。

通常レーザーダイオード１は記憶膜面７上で１ｍＷ程度
のパワーになるように直流発光させ、その記憶膜７から
の反射光を使って常時光ビームが膜面上で合焦点となる
ように対物レンズアクチュエータ９を制御する。記憶膜
７からの反射光量は４つの検知器の和信号として得られ
、記憶膜７の信号記憶状態を知る、すなわち、情報を再
生するために使われる。

情報を記録する場合は記録すべき信号によりレーザーダ
イオード１を強度変調するための変調電流をレーザーダ
イオードｌに重畳する。また情報を消去する際には所望
の記録部分に直流的な光ビームを照射する。この場合も
再生用光ビームに消去に必要な光パワーを重畳させる。

一般に記録時は消去時よりも強いパワーが必要である。

また消去は一回の光ビームで完了しない場合がある。そ
れは薄膜を消去状態に変化させるにはある程度の時間が
必要だからである。その場゛合は消去ビームを何回も（
何回軽分も）同一場所に照射することによって完全な消
去状態を得ることができる。

この例では使っていないが、レーザ光源を２つそなえ、
そこからの一方の光ビームはこの例と同じ構成をとり、
もう一方のビームは薄膜面上で円周方向に長い（〜１０
Ｉｊｍ程度）形状で照射される光学系を使うこともよく
行われる。その場合、長い＝ビームは消去専用に使われ
、−回の照射のみで完全な情報の消去を実現できる。

記録および消去時に使われる光ビームのパワー条件は同
板の径や回転数つまり記憶薄膜の速度により異なる。

後出の実施例の記憶膜において、回転数と半径位置を変
えることによって、薄膜の一点がφ１μｍの光ビームに
さらされる時間を変えて、記録と消去に対応する光学的
変化を示すパワーと照射時間の関係を求めると第２図の
ようになった。同図中、縦軸は照射ビームパワー、横軸
は照射時間を表わし、反射率が増加した場合にＯ印、反
射率が減少した場合にΔ印を付している。強い短いパル
スを照射すると膜の反射率は上昇し、弱く長いパルスを
照射すると反射率は反対に減少する。

また、反射率の変化に伴って透過率も変化する。

ＩｎＳｂの膜の場合、反射率が増加すると透過率は減少
し、反射率が減少すると透過率は増大するが、その変化
は反射率に比較し、わずかである。

信号の大きさは記録および消去の状態の反射率の差にほ
ぼ比例しているが、その相対的な変化を記録時の照射時
間に対して求めたものを第３図に示す。同図中、縦軸に
相対コントラスト、横軸に記録照射時間を表わす。この
場合記録時のパワーと消去時の条件は固定しである。照
射時間を増加するとともに反射率の相対的な変化量は増
加するが、ある時間を越えると逆に低下するやすなわち
最適な条件がある。

記憶および再生用の光としてはコヒーレントな光である
レーザー光が好ましいが、その波長は半導体レーザー光
に限らず、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光、Ｈｅ　−Ｃｄ　レー
ザー光、Ａｒ　レーザー光その他であってもよい。

本発明者らは後出の第６図（イ）および第７図（イ）の
写真の回折パターンを詳細に分析した結果、結晶構造の
２つの状態の反射率変化は、ＩｎＳｂの合金膜の場合、
つぎのような原因によるのではないかという推測をする
に敗った。

第６図（イ）および第７図（イ）は対応する第６図（０
）および第７図（ロ）の透過顕微鏡写真に示された像（
明視野像）の中心部のみを調べたものである。明視野像
では中心部の結晶粒がみかけ上大きさが異っているよう
に見えるが、回折線の詳細な分析では以下のことがわか
っている。すなわち、第６図（イ）、第７図（イ）には
ともにＩｎ５゜５ｂ５ｏ　（立方晶ａ。＝６．４７８人
）とＳ１六方晶ａｏ　＝４．３０７人、’Ｇｏ＝１１　
、２７．３人）が観測されるが、その回折線の強度の強
弱の比が第６図（イ）と第７図（ロ）で逆になっている
。

つまり、第６図（イ）ではｒｎｓｏｓｂｓｏの回折線が
ｓｂよりも強く出ているが、第７図（イ）ではｓｂの回
折線の方がＩｎｓ。５ｂｓｏよりも強く出ている。この
ことは、光の照射条件により合金Ｉｎ　−Ｓｂからｓｂ
の析出する量が異なることを示している。純粋なｓｂ薄
膜の反射率は７０％であるのに対してＩｎ５ｏＳｂ、。

の薄膜の反射率は４０％であることが知られているので
、ｓｂの析出量が多い程反射率は高いことが説明できる
。

Ｉｎ５゜ＳｂＳ。とｓｂのバランスに差ができるのは薄
膜の２種類の光照射による加熱冷却過程の差異によって
、ｆｌ）　Ｓｂ元素が膜の横方向に移動するか、（２）
Ｉｎ５゜Ｓｂ、。の中に固溶できる量が異ってその上ｓ
ｂの析出量が異なるか、２つの可能性が考えられる。

しかし、いずれにしろ、両者の状態とも明らかな結晶状
態であることにはかわりない。

また、結晶状態ではあるが、反射率が見かけ上昇なるよ
うな薄膜の２つの状態の生成する可能性は、上記のほか
にも考えられる。他の可能性としては、結晶粒の大きさ
が異なりそのため光を散乱する能力が異って反射率に差
が生じるものがある。

上記のＩｎＳｂの例でも、このメカニズムが反射率変化
に寄与している可能性は捨てきれない。

また、薄膜の形状変化が光の散乱の具合を異ならせるこ
ともありうる。膜の表面が平坦であるか、あるいは凹レ
ンズ状または凸レンズ状に変形しているかで光の散乱効
果は明らかに異なる。

また別の可能性として、結晶質ではあっても膜の冷却過
程の差異によって異なる結晶相を生成する場合もありう
る。例えば、強くて短い光パルスを照射すると膜は溶融
するが急激に冷却されるため、通常の溶融冷却凝固の過
程では得られない準安定な結晶相が出現することもあり
うる。

以上の如く、その原因は種々考えられるものの、結果的
には結晶体でありながら反射率あるいは光学的特性が見
かけ上変化するものであればよい。

□実施例 （実施例１） ＩｎＳｂ　　薄膜の作成 第４図を参照すると、外径３０ｃｍ厚さ１．２ｍｍのア
クリル基板２１上にＩｎ４ｏＳｂｂｏの合金薄膜２２を
真空蒸着法により形成する。各成分の蒸着源は独立に温
度制御し、基板を回転させ、蒸着中の成分レートがほぼ
一定になるように制御する。形成した薄膜の厚さ９０ｎ
ｍであった。さらにその上に有機高分子の保護膜２３を
形成する。材料はＩ　ｎｓｂの記録膜に悪影響を及ぼさ
ないものであれば何でもよいが、例えば、ＰＭＭＡ　、
ポリスチレン等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬
化樹脂、紫外線硬化型の樹脂であってもよい。第５図に
示す如く、各層２１　２２．２３間に安定化層２４とし
てごく薄い無機質（例えば、５ｉＱｚ＋Ｃｅ０ｚ、５ｎ
ｏ２ＺｎＳ）の透明膜を挿入してもよい。

光反射早変化 半導体レーザ（λ−８３０ｎｍ）光をコリメータレンズ
および対物レンズでビーム径を１μｍに絞った光学ヘッ
ドを使い、円板を回転しながら、半導体レーザを直接変
調して円板上にパルス光の列を照射した。この際、レー
ザ光線の最小に絞られる位置が記録膜上に（るように対
物レンズの位置を制御した。このとき、記録層膜上に照
射される光ビームの強さは台へＸ　２０１であった。

円板を６０Ｏｒｐｍで回転し２レーザパワーを５ｍＷに
なるようにして円板上に照射すると、回転につれて記録
膜からの反射率が次第に低下した。５回転でほぼ変化が
停止したのでレーザパワーを１１ＩＩＷ以下に低下させ
た。次に、ピークパワー２０畦で２ＭＨｚの矩形波で半
導体レーザを駆動し、１回転分だけ円板上に照射すると
、パルス状に光照射された部分の反射率が上昇した。１
ｍＷで連続的に円板上の反射率を測定したところ、２？
１ｌＩｚの信号がＣ／Ｎ４０ｄＢで検出された。

さらに、パワー５ｍＷにて連続照射したところ、再び反
射率は低下し、２　ＭＨ２の信号成分は消えた。

すなわち、変調されたパルス光照射とそれより低パワー
の連続光照射により信号の記録消去のくり返しが可能で
あり、このくり返しは少なくとも１０’回以上を越える
ことが確認された。

次に、円板の一部を分割し静止状態で光パルスを照射し
た。上記の例で円板回転状態で円板上の記録膜の一点が
レーザ光（φ１μｍ）と横切る時間はほぼ２００ｎｓで
あるので、この時間に会わせて光パルスを照射した。ま
ず、５ｍＷのパワーで２００ｎｓずつ５回照射したとこ
ろ反射率が低下した。次に、場所をかえて同じように５
ｍＷで２００ｎｓ　５回照射したのち、１０ｍＷにて２
００ｎｓ　　１回照射したところ、再び反射率が上昇し
た。２つの操作をくり返すと、反射率はくり返し上下す
ることが確認された。

菫益盪遺至止僑 上記の分割した円板から記録膜をはがし、電子顕微鏡に
て膜の結晶構造を調べた。

まず、成膜後レーザ光照射を全（行なっていない未記録
部は、結晶の規則正しい配列に起因する電子の回折は見
られず、非晶質状態であった。次に、多数回光パルス照
射して反射率を低下させた部分は、第６図の写真（イ）
（ロ）に見られる如く、約１μｍのスボ・ノド状に完全
に結晶化していることがわかった。さらに、強パルス照
射によって、再び反射率を増加させた部分を観察したと
ころ、第７図の写真（イ）（ロ）に見られる如く、同様
に結晶状態であり、ただし中心部の結晶粒の大きさが大
きくなっていることが判明した。第６図および第７図の
写真は、それぞれ電子顕微鏡による（イ）が電子線回折
パターン、（ロ）が明視野像である。この電子顕微鏡の
観察により、記憶膜は結晶と非晶質（または成膜後の状
態に近い結晶の乱れた状態）との間の相転移によって情
報を記録するのではなく、一旦結晶化した後に結晶と結
晶の間の状態変化によって情報を記録していることが判
明した。

なお、走査型電子顕微鏡による観察では、光照射された
部分に膜のわずかな凹凸が見出された。

しかも、記録部分と消去部分は凹凸の方向が逆である・
ことも確認できた。

ｌ久伝星皮 次に、石英基板上に上記と同様にして形成した薄膜を電
気炉にて加熱して、取り出し、室温に冷却してから電気
伝導度を測定した。その結果を第８図にグラフとして示
す。１９０°Ｃ付近に急激な電気伝導度の増加が見られ
る。これは非晶質から結晶に遷移したときの電気伝導度
の変化である。しかし、２００℃以上では電気伝導度の
大きな変化は見られない。電子顕微鏡観察の結果から記
録および消去の両状態とも結晶状態であることがわかっ
ているので、情報記録に利用している２つの結晶状態の
電気伝導度には、非晶質と結晶質の電気伝導度の差異と
異なり、本質的な差異はないと考えられる。

耐久試験 前記の情報を記録したディスクを７０°Ｃ相対湿度８５
％の雰囲気中に置き、時々室温にもどしてＣ／Ｎを測定
したところ、第９図に示す如く、３ケ月を経過してもＣ
／Ｎの低下量は３ｄＢ以下であった。

これは記録に使われたＩｎＳｂの薄膜が化学的に安定で
あること、および本記憶方法が長期間の情報保持に適し
ていることを示している。

発明の効果 本発明によれば、薄膜に光パルスを照射するのみで高密
度に記録でき、しかも必要な時には消去および再記録で
き、さらに長期間安定に情報を保持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学的情報記憶および記憶媒体の
光学系を示す模式図、第２図はレーザー光照射の条件に
よる記憶膜の反射率の変化を示すグラフ図、第３図は記
憶照射時間に関する記憶相対コントラストを表わすグラ
フ図、第４図および第５図は本発明を実施するための光
学的情報記憶媒体の要部断面図、第６図（（）　（ｏｌ
は記憶媒体の低反射率部の電子顕微鏡による電子線回折
パターンの写真および薄膜の結晶組織の写真、第７図（
イｌ　（ｏｌは記憶媒体の高反射率部の電子顕微鏡によ
る電子線回折パターンの写真および薄膜の結晶組織の写
真、第８図はＩｎＳｂ薄膜の電気伝導度の温度変化を示
すグラフ図、第９図はＩｎＳｂ薄膜のＣ／Ｎの長時量変
化を示すグラフ図である。 １−・レーザーダイオード、２−・−光、３−ビーム整
形光学系、 ４−偏光ビームスプリンター、 ５−・−１／４波長板、　６一対物レンズ、７−・・記
憶薄膜、　　　８−・基板、９−・−レンズアクチュエ
ータ、 １０−　　レンズ、　１１−光検知器、２１−アクリル
基板、　２２−−ＩｎＳｂｉ膜、２３・・−有機質保護
膜、　２４−無機質安定化層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶組織が異なりかつ光学的特性も異なる２つの安
   定状態を取り得る微結晶体からなる記憶薄膜に、異なる
   条件の光エネルギーを照射して該２つの安定状態を選択
   的に生起させることにより情報を記録および（または）
   消去することを特徴とする光学的情報記憶媒体。 ２、結晶組織が異なりかつ光学的特性も異なる２つの結
   晶質の安定状態を取り得る微結晶体からなる記憶薄膜に
   、該２つの安定状態を選択的に生起させることにより記
   録した情報を、該記憶薄膜中に選択的に形成された該安
   定状態を光学的に検出することによって再生することを
   特徴とする光学的情報再生方法。